DE102008048306B4 - Method for the detection of X-ray radiation and X-ray system - Google Patents

Method for the detection of X-ray radiation and X-ray system Download PDF

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Abstract

Verfahren zur Detektion von Röntgenstrahlung eines Röntgenstrahlers, – bei dem bei Eintreffen eines Quants der Röntgenstrahlung auf einem Sensor ein elektrischer Puls (6, 6a, 6b, 6c) mit einer für die Energie des Quants charakteristischen Pulshöhe (2) erzeugt wird, wobei eine Anzahl von Schwellenenergien (8, 12) vorgegeben ist und bei Überschreiten der der jeweiligen Energie entsprechenden Pulshöhe (2) jeweils ein Signal (10, 14, 16) ausgegeben wird, und wobei mindestens eine der Schwellenenergien (12) derart vorgegeben wird, dass sie höher als die maximale Energie des vom Röntgenstrahler abgegebenen Röntgenspektrums liegt, und – bei dem bei Nichtunterschreiten der jeweiligen vorgegebenen Schwellenenergie (12) innerhalb einer vorgegebenen Zeitdauer ein Signal (16) ausgegeben wird.Method for the detection of X-ray radiation of an X-ray source, - in which, upon arrival of a quantum of X-radiation on a sensor, an electrical pulse (6, 6a, 6b, 6c) is generated with a pulse height (2) characteristic of the energy of the quantum, a number is predetermined by threshold energies (8, 12) and in each case a signal (10, 14, 16) is output when exceeding the respective energy pulse height (2), and wherein at least one of the threshold energies (12) is set such that it higher as the maximum energy of the X-ray spectrum emitted by the X-ray source, and - in which a signal (16) is output within a predetermined period of time if the respective predetermined threshold energy (12) is not fallen below.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Detektion von Röntgenstrahlung eines Röntgenstrahlers, bei dem bei Eintreffen eines Quants der Röntgenstrahlung auf einem Sensor ein elektrischer Puls mit einer für die Energie des Quants charakteristischen Pulshöhe erzeugt wird, wobei eine Anzahl von Schwellenenergien vorgegeben ist und bei Überschreiten der der jeweiligen Energie entsprechenden Pulshöhe jeweils ein Signal ausgegeben wird. Sie betrifft weiter ein zur Durchführung des Verfahrens geeignetes Röntgensystem.The invention relates to a method for detecting X-ray radiation of an X-ray source, in which upon arrival of a quantum of X-radiation on a sensor, an electrical pulse is generated with a characteristic of the energy of the quantum pulse height, wherein a number of threshold energies is given and when exceeding the respective energy corresponding pulse height in each case a signal is output. It further relates to an X-ray system suitable for carrying out the method.

Röntgensysteme dienen üblicherweise zum Durchstrahlen eines Körpers mit Röntgenstrahlung unter Verwendung eines Röntgenstrahlers sowie zur Darstellung der Durchdringung des Körpers, etwa mittels eines fluoreszierenden Schirms oder eines Bildverstärkers. Die Bilder werden entweder auf geeignetem Filmmaterial, Phosphorplatten oder mittels elektronischer Sensoren, z. B. CCDs, sichtbar gemacht.X-ray systems are usually used to irradiate a body with X-ray radiation using an X-ray source and to show the penetration of the body, for example by means of a fluorescent screen or an image intensifier. The images are either on suitable film material, phosphor plates or electronic sensors, z. As CCDs, made visible.

Röntgenstrahler enthalten üblicherweise eine Röntgenröhre. Diese besteht in ihrer einfachsten Form aus einer Kathode und einer Anode, die in einem Vakuum innerhalb eines abgedichteten Glas- oder Metallkörpers sitzen. Von der Kathode werden Elektronen emittiert, durch eine Hochspannung zur Anode beschleunigt und dringen in das Anodenmaterial ein. Dabei werden sie abgebremst und erzeugen im Wesentlichen charakteristische Röntgenstrahlung und Röntgenbremsstrahlung.X-ray sources usually contain an X-ray tube. This consists in its simplest form of a cathode and an anode, which sit in a vacuum within a sealed glass or metal body. From the cathode, electrons are emitted, accelerated by a high voltage to the anode and penetrate into the anode material. In the process, they are braked and essentially produce characteristic X-ray radiation and X-ray braking radiation.

Charakteristische Röntgenstrahlung entsteht dadurch, dass die in der Röntgenröhre beschleunigten energiereichen Elektronen in der Anode Elektronen aus den innersten Schalen der Atome des Anodenmaterials herausschlagen. In diese entstehenden Lücken „springen” entweder Elektronen aus höheren Energieniveaus oder freie Elektronen. Die dabei frei werdende Energie wird in Form von materialtypischen diskreten Energiequanten abgegeben.Characteristic X-radiation is produced by the fact that the high-energy electrons accelerated in the X-ray tube in the anode strike out electrons from the innermost shells of the atoms of the anode material. Electrons from higher energy levels or free electrons "jump" into these gaps. The released energy is released in the form of material-specific discrete energy quanta.

Röntgenbremsstrahlung hingegen entsteht durch die Abbremsung der Elektronen beim Durchlaufen des Metalls der Anode, da jede beschleunigte elektrische Ladung elektromagnetische Strahlung erzeugt. Die Wellenlänge der Strahlung hängt dabei vom Wert der Beschleunigung ab, so dass bei höherer Beschleunigungsspannung bzw. Anodenspannung weitere Röntgenstrahlung mit energiereicheren Quanten entsteht. Die maximale Energie des Bremsstrahlungsspektrums ist dementsprechend diejenige Energie, bei der die gesamte kinetische Energie des Elektrons an ein einzelnes Quant abgegeben wird. Diese Grenzenergie ist nur von der Anodenspannung abhängig und nicht vom Anodenmaterial.By contrast, X-ray braking radiation is produced by the deceleration of the electrons as they pass through the metal of the anode, since each accelerated electrical charge generates electromagnetic radiation. The wavelength of the radiation depends on the value of the acceleration, so that at higher acceleration voltage or anode voltage further X-radiation is produced with higher-energy quanta. The maximum energy of the bremsstrahlung spectrum is accordingly the energy at which the total kinetic energy of the electron is given off to a single quantum. This limit energy depends only on the anode voltage and not on the anode material.

Bei der Röntgenuntersuchung in der Medizin werden für unterschiedliche Bereiche des Körpers unterschiedliche Strahlenenergien benötigt, um unterschiedlich dichte Gewebe, wie z. B. Fettgewebe oder Knochen zu durchdringen. Ausschlaggebend ist, wie oben erläutert, dabei die Spannung, die der Röntgenröhre zugeführt wird. Je nach gewünschter Bildaussage wird die Röhrenspannung beispielsweise zwischen 38 kV und 120 kV gewählt. Bei niedrigen Energien wird viel Strahlung vom Gewebe absorbiert, dadurch werden auch feinste Gewebeunterschiede auf dem Röntgenfilm sichtbar gemacht. Hochenergetische Strahlung hingegen durchdringt Gewebe und Materialien wesentlich leichter, Kontrastunterschiede werden stark abgemildert.In the X-ray examination in medicine different radiation energies are needed for different areas of the body to different density tissues, such. B. fatty tissue or bone to penetrate. Decisive, as explained above, while the voltage that is supplied to the X-ray tube. Depending on the desired image statement, the tube voltage is selected, for example, between 38 kV and 120 kV. At low energies, much of the radiation is absorbed by the tissue, thereby making even the finest tissue differences on the X-ray film visible. High-energy radiation, on the other hand, penetrates tissue and materials much more easily, and contrast differences are greatly reduced.

Bei einem herkömmlichen Röntgenverfahren wird das abzubildende Objekt von einer Röntgenquelle durchleuchtet und auf einem Röntgenfilm abgebildet. Es entsteht eine Projektion des Volumens auf eine Fläche. Bei dieser Projektion gehen Informationen, welche die dritte Dimension des durchleuchteten Körpers betreffen, weit gehend verloren. Grund hierfür ist, dass im Nachhinein nicht mehr unterschieden werden kann, ob die im Röntgenbild sichtbare Schwächung durch ein Material höherer Dichte oder durch eine größere Schichtdicke hervorgerufen wurde.In a conventional X-ray method, the object to be imaged is transilluminated by an X-ray source and imaged on an X-ray film. The result is a projection of the volume on a surface. In this projection, information concerning the third dimension of the illuminated body is largely lost. The reason for this is that with hindsight it can no longer be distinguished whether the weakening visible in the X-ray image was caused by a material of higher density or by a greater layer thickness.

Dieses Problem wird durch die Computertomographie (CT) gelöst, bei der viele Röntgenbilder des Objekts aus den unterschiedlichen Richtungen erstellt werden und nachträglich aus diesen vielen Abbildungen die Volumeninformationen rekonstruiert werden. In der Regel setzen sich diese 3D-Rekonstruktionen aus Einzelschnitten, die quer durch das Objekt verlaufen, zusammen. Auf diese Weise kann für jedes Volumenelement des Objektes eine Dichte ermittelt werden.This problem is solved by computed tomography (CT), in which many X-ray images of the object are created from the different directions and the volume information is subsequently reconstructed from these many images. As a rule, these 3D reconstructions are composed of individual sections that run transversely through the object. In this way, a density can be determined for each volume element of the object.

Da bei der Computertomographie innerhalb kurzer Zeit eine Vielzahl von Röntgenaufnahmen durchgeführt werden muss, sind CT-Detektoren erforderlich, welche das Röntgenbild direkt in digitaler Form an eine Datenverarbeitungseinheit liefern können. Dazu kommen üblicherweise elektronische Detektoren zur Anwendung wie beispielsweise Festkörperdetektoren. Zur räumlichen Auflösung des Röntgenbildes umfassen diese Detektoren üblicherweise pixelartig angeordnete einzelne Röntgensensoren.Since computed tomography requires a large number of x-ray images within a short time, CT detectors are required which can deliver the x-ray image directly in digital form to a data processing unit. For this purpose, electronic detectors are usually used, such as solid state detectors. For spatial resolution of the X-ray image, these detectors usually comprise pixel-like individual X-ray sensors.

Die einzelnen Sensoren des Detektors können in unterschiedlicher Art ausgeführt werden, funktionieren jedoch üblicherweise auf Grundlage des inneren fotoelektrischen Effektes. Dabei wird bei Einfallen eines Röntgenquants auf dem Sensor ein elektrischer Puls erzeugt, welcher in seiner Pulshöhe für die Energie des Quants charakteristisch ist. Durch die pixelartige Anordnung der Sensoren wird damit eine Orts- und Energieauflösung prinzipiell jedes einzelnen einfallenden Röntgenquants möglich.The individual sensors of the detector can be implemented in different ways, but usually work on the basis of the internal photoelectric effect. When an X-ray quantum is incident on the sensor, an electrical pulse is generated which is characteristic in its pulse height for the energy of the quantum. The pixel-like arrangement of the sensors thus becomes one Location and energy resolution in principle every single incident X-ray quantum possible.

Die Pulse der Sensoren können zur Zählung der einfallenden Röntgenquanten in der angeschlossenen Datenverarbeitungseinrichtung durch eine Triggerschaltung gezählt werden. Dabei wird eine Energieschwelle vorgegeben und bei Überschreitung der dieser Energie entsprechenden Pulshöhe des Sensors wird ein Zählsignal ausgegeben (Einzelpulstriggerung). Zur konventionellen Bildgebung wird diese Schwelle so gewählt, dass sie z. B. im Bereich 15 keV bis 35 keV liegt. Für die Dual-Energy Bildgebung, wird eine weitere Schwelle z. B. im Bereich 50 keV bis 80 keV vorgesehen.The pulses of the sensors can be counted by a trigger circuit for counting the incident X-ray quanta in the connected data processing device. In this case, an energy threshold is specified and when exceeding the pulse height of the sensor corresponding to this energy, a counting signal is output (single-pulse triggering). For conventional imaging, this threshold is chosen so that z. B. in the range 15 keV to 35 keV. For dual-energy imaging, another threshold z. B. in the range 50 keV to 80 keV provided.

Wegen der bei der Computertomographie auftretenden hohen Raten von auf den Detektor einfallenden Röntgenquanten stellt das prinzipiell attraktive Konzept eines einzelne Quanten zählenden Detektors eine schwer realisierbare Herausforderung dar. Einer der kritischen Punkte ist die endliche Pulsdauer, die in typischen Sensoren (beispielsweise CdTe oder CdZnTe) beispielsweise ca. 10 ns (Halbwertsbreite) beträgt. In Verbindung mit einer notwendigen elektronischen Pulsformung resultiert dies in effektiven Pulsen einer Größenordnung von z. B. ca. 30 ns, die individuell registriert werden sollen.Because of the high rates of X-ray quanta incident on the detector in computed tomography, the inherently attractive concept of a single quantum detector presents a challenge that is difficult to realize. One of the critical issues is the finite pulse duration typical of typical sensors (eg, CdTe or CdZnTe) about 10 ns (half width). In conjunction with a necessary electronic pulse shaping, this results in effective pulses of the order of z. B. about 30 ns to be registered individually.

Bei zeitlich äquidistant eintreffenden Pulsen würde dies alleine die maximal messbare Rate auf ca. 33 MHz pro Pixel beschränken, was bei realistischen Pixelgrößen mit beispielsweise ca. 200 μm Kantenlänge einem maximalen Röntgenquantenfluss von ca. 825 MHz/mm2 entspricht. Da das zeitliche Eintreffen der Pulse jedoch tatsächlich einer Poissonstatistik unterliegt, beträgt die Wahrscheinlichkeit, dass bei (im Mittel) 33 Millionen Quanten pro Pixel und Sekunde sich Pulse mit einem oder mehreren weiteren Pulsen zumindest teilweise überlagern, bereits 26%. Bei den für die Computertomographie heute maximal auftretenden Flüssen von ca. 2 GHz/mm2 steigt diese Wahrscheinlichkeit sogar auf über 60%. Dies impliziert, dass trotz der Benutzung von beispielsweise Formfiltern im Strahlengang Detektorkanäle, die keine oder nur geringe Schwächung sehen, beispielsweise am Rand der zu untersuchenden Objekte, keine Einzelpulse mehr auflösen können, da sich die Pulse der eintreffenden Quanten evtl. sogar mehrfach überlagern.With equidistantly arriving pulses, this alone would limit the maximum measurable rate to about 33 MHz per pixel, which corresponds to a maximum x-ray quantum flux of about 825 MHz / mm 2 for realistic pixel sizes with, for example, about 200 μm edge length. However, since the timing of the pulses is actually Poisson statistics, the probability that (on average) 33 million quanta per pixel per second will at least partially overlap pulses with one or more pulses will already be 26%. With the maximum fluxes of approx. 2 GHz / mm 2 , which is the maximum for computed tomography today, this probability even increases to over 60%. This implies that despite the use of, for example, shape filters in the beam path detector channels that see little or no weakening, for example, at the edge of the objects to be examined, can no longer resolve individual pulses, since the pulses of the incoming quantum may even overlap several times.

Bei einer derartigen mehrfachen Überlagerung sinkt die Pulshöhe dann nicht mehr nach jedem Puls unter die Höhe der vorgegebenen Schwellenenergien der Trigger. Diese lösen dann immer weniger Signale aus, so dass die Signalrate nicht mehr eineindeutig dem tatsächlichen Quantenfluss zuzuordnen ist; man spricht von der einsetzenden Paralyse. Bei noch höheren Quantenflüssen sinkt die Pulshöhe immer seltener unter die Höhe der vorgegebenen Schwellenenergien der Trigger, da sich die Pulshöhe durch überlagernde Pulse ständig erhöht. Der Trigger löst dann kein Signal mehr aus, die Signalrate geht gegen null. In Bereichen starker Überlagerung, d. h. z. B. am Rand der beobachteten Objekte oder in Luft kann dies zur Folge haben, dass die Daten verworfen werden müssen.With such a multiple superimposition, the pulse height then no longer drops below the level of the predetermined threshold energies of the triggers after each pulse. These then trigger less and less signals, so that the signal rate is no longer uniquely attributable to the actual quantum flux; one speaks of the onset of paralysis. At even higher quantum fluxes, the pulse height sinks less and less often below the level of the predetermined threshold energies of the triggers, since the pulse height constantly increases due to overlapping pulses. The trigger then triggers no more signal, the signal rate goes to zero. In areas of strong overlay, d. H. z. B. at the edge of the observed objects or in the air, this may mean that the data must be discarded.

In Schmidt H. U. „Meßelektronik in der Kernphysik”, Stuttgart 1986 (Kapitel 10.1.1.) ist die Funktion eines Analog-Digital-Konverters für die nukleare Datenverarbeitung beschrieben. Hier werden Impulse, die beispielsweise energie-proportional sind, durch Vergleich ihrer jeweiligen Impulshöhe mit mehreren hinterlegten Schwellwerten in unterschiedlichen Zählkanälen gezählt. Dazu werden unter anderem Parallel-ADCs eingesetzt.In Schmidt H.U. "Measurement electronics in nuclear physics", Stuttgart 1986 (Chapter 10.1.1.) The function of an analog-to-digital converter for nuclear data processing is described. Here, pulses which are, for example, energy-proportional, are counted by comparing their respective pulse height with several stored threshold values in different counting channels. Among others, parallel ADCs are used.

Aus DE 37 10 745 C2 ist ferner offenbart, dass bei einer Gammastrahlungsdetektion mittels einer Szintillationskamera eine quasi zeitgleiche Detektion mehrerer Gammaquanten (Pile-up) infolge der hierdurch verursachten Störung des Messsignals (Pile-Up-Wellenform) typischerweise Detektionsfehler verursacht. Solche Messsignale werden gemäß DE 37 10 745 C2 unterdrückt.Out DE 37 10 745 C2 Furthermore, it is disclosed that with gamma radiation detection by means of a scintillation camera a quasi-simultaneous detection of several gamma quanta (pile-up) as a result of the thereby caused disturbance of the measurement signal (pile-up waveform) typically causes detection errors. Such measurement signals are according to DE 37 10 745 C2 suppressed.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Messung von Röntgenstrahlung und ein Röntgensystem anzugeben, welches auch in Bildbereichen hoher Röntgenquantenraten eine zuverlässige und qualitativ hochwertige Bildgebung erlaubt.The invention is therefore based on the object of specifying a method for measuring X-ray radiation and an X-ray system which also permits reliable and high-quality imaging in image areas of high X-ray quantum rates.

Bezüglich des Verfahrens wird diese Aufgabe erfindungsgemäß gelöst, indem mindestens eine der vorgegebenen Schwellenenergien höher als die maximale Energie des vom Röntgenstrahler abgegebenen Röntgenspektrums liegt.With regard to the method, this object is achieved according to the invention in that at least one of the predetermined threshold energies is higher than the maximum energy of the X-ray spectrum emitted by the X-ray emitter.

Die Erfindung geht dabei von der Überlegung aus, dass eine besonders zuverlässige und qualitativ hochwertige Bildgebung auch in Bildbereichen hoher Röntgenquantenraten möglich wäre, wenn eine zuverlässige Zählung von Pulsen auch bei einer Überlagerung mehrerer Pulse garantiert werden könnte. Dabei kann konsequent die Erkenntnis ausgenutzt werden, dass sich bei der Überlagerung von Pulsen die Pulshöhen addieren. Bei zweifacher Überlagerung kann dabei maximal der doppelte Wert der einfachen Pulshöhe erreicht werden. Um eine derartig entsprechend höhere Pulshöhe zu messen, sollte daher eine weitere höhere Schwellenenergie für einen Trigger vorgegeben werden. Damit dieses für zweifache Überlagerungen vorgesehene Triggersignal auch wirklich nur überlagerte Pulse erfasst, sollte die Schwellenenergie derart vorgegeben werden, dass sie höher als die maximale Energie des vom Röntgenstrahler abgegebenen Röntgenspektrums liegt. Eine solche Energie kann dann nämlich nicht von einem einzelnen Röntgenquant erreicht werden, und durch die Triggerung auf die höhere Schwellenenergie werden dann nur mindestens zweifach überlagerte Pulse erfasst. Durch Vorgabe weiterer, noch höherer Schwellenenergien können entsprechend auch mehrfach überlagerte Pulse gezählt werden.The invention is based on the consideration that a particularly reliable and high-quality imaging in image areas of high x-ray quantum rates would be possible if a reliable count of pulses could be guaranteed even with a superposition of multiple pulses. It can be consistently exploited the knowledge that add the pulse heights in the superposition of pulses. In the case of double superposition, at most twice the value of the simple pulse height can be achieved. In order to measure such a correspondingly higher pulse height, therefore, a further higher threshold energy should be specified for a trigger. In order for this trigger signal, which is intended for two-fold superimpositions, to detect only superimposed pulses, the threshold energy should be set such that it is higher than the maximum energy of the X-ray spectrum emitted by the X-ray emitter. Such energy can then namely, can not be achieved by a single X-ray quantum, and by triggering on the higher threshold energy then only at least two times superimposed pulses are detected. By specifying further, even higher threshold energies, multiply superimposed pulses can be counted accordingly.

Bei Nichtunterschreiten der jeweiligen vorgegebenen Schwellenenergie innerhalb einer vorgegebenen Zeitdauer wird ein Signal ausgegeben. Dies bedeutet, dass eine Messung von mehrfach überlagerten Pulsen nicht nur durch die Addierung der Pulshöhen erfasst wird, sondern auch durch die Verlängerung der Zeitdauer des elektrischen Pulses. Denn auch wenn die Pulsdauer des gemessenen Pulses länger als die übliche Pulsdauer eines Einzelpulses ist, ist dies ein Zeichen für eine Überlagerung mehrerer Einzelpulse. Durch eine Kombination dieser Zeitdauermessung mit der Pulshöhenmessung wird eine noch genauere und zuverlässigere Messung von überlagerten Pulsen ermöglicht. Bei Vorgabe nur einer zusätzlichen Schwellenenergie oberhalb beispielsweise der doppelten typischen Energie eines Röntgenquants können dann bereits dreifach überlagerte Pulse gezählt werden, nämlich durch den Trigger der ersten Schwellenenergie, durch den der zweiten Schwellenenergie und durch den Trigger der Zeitdauer.When not falling below the respective predetermined threshold energy within a predetermined period of time, a signal is output. This means that a measurement of multiply superimposed pulses is detected not only by the addition of the pulse heights, but also by the extension of the duration of the electrical pulse. Even if the pulse duration of the measured pulse is longer than the usual pulse duration of a single pulse, this is a sign for a superposition of several individual pulses. By combining this time measurement with the pulse height measurement, an even more accurate and reliable measurement of superimposed pulses is made possible. Given only an additional threshold energy above, for example, twice the typical energy of an X-ray quantum then already three superimposed pulses can be counted, namely by the trigger of the first threshold energy, by the second threshold energy and by the trigger of the period.

Vorteilhafterweise ist das ausgegebene Signal ein Zählsignal. In Kombination mit den höheren Schwellenenergien für die signalauslösenden Trigger erlaubt dies eine direkte Zählung der auf dem Röntgendetektor einfallenden Quanten im Gegensatz zur bisher üblichen Energiemessung des Röntgenflusses. Dies ermöglicht auch eine beliebige Gewichtung des gemessenen Quantenflusses mit einer anderen Funktion als der Energie zur Verbesserung des Bildkontrastes. Damit ist eine noch einfachere und zuverlässigere Bildgebung möglich.Advantageously, the output signal is a count signal. In combination with the higher threshold energies for the signal-triggering trigger this allows a direct counting of the incident on the X-ray detector quanta in contrast to the usual energy measurement of the X-ray flux. This also allows any weighting of the measured quantum flux with a function other than the energy to improve the image contrast. This makes even easier and more reliable imaging possible.

Bezüglich des Röntgensystems wird die Aufgabe gelöst, indem das Röntgensystem einen Röntgenstrahler umfasst, einen Detektor mit einer Mehrzahl von Sensoren, bei dem der jeweilige Sensor derart ausgelegt ist, dass er bei Einfallen eines Quants der Röntgenstrahlung einen elektrischen Puls mit einer für die Energie des Quants charakteristischen Pulshöhe erzeugt und eine mit dem jeweiligen Sensor verbundene Datenverarbeitungseinheit, welche die Pulse des jeweiligen Sensors oder einer Mehrzahl von Sensoren mittels einer Triggerschaltung mit einer Anzahl vorgegebener Schwellenenergien auswertet, welche bei Überschreiten der der jeweiligen Energie entsprechenden Pulshöhe jeweils ein Signal ausgibt, wobei mindestens eine der vorgegebenen Schwellenenergien höher als die maximale Energie des vom Röntgenstrahler abgegebenen Röntgenspektrums liegt.With regard to the X-ray system, the object is achieved by the X-ray system comprises an X-ray source, a detector with a plurality of sensors, in which the respective sensor is designed such that it upon arrival of a quantum of X-ray radiation, an electrical pulse with one for the energy of Quants generates a pulse height characteristic and connected to the respective sensor data processing unit which evaluates the pulses of the respective sensor or a plurality of sensors by means of a trigger circuit with a number of predetermined threshold energies, which each outputs a signal when exceeding the respective energy pulse height a signal, at least one the predetermined threshold energy is higher than the maximum energy of the X-ray emitted by the X-ray source.

Vorteilhafterweise kommt ein derartiges Röntgensystem in einem Computertomographiesystem oder anderen Geräten, die bei sehr hohen Flüssen von Röntgenstrahlen betrieben werden, zum Einsatz.Advantageously, such an X-ray system is used in a computed tomography system or other devices which are operated at very high fluxes of X-rays.

Die mit der Erfindung verbundenen Vorteile bestehen insbesondere darin, dass durch die Vorgabe von Schwellenenergien, die höher als die maximale Energie des vom Röntgenstrahler abgegebenen Röntgenspektrums liegen, eine Erfassung von mehrfach überlagerten elektrischen Pulsen der Sensoren des Röntgendetektors möglich wird und diese gerade bei hohen Raten und mehrfacher Überlagerung von Pulsen noch zur Bildgebung benutzt werden können. Durch eine derartige Pile-Up-Ratenmessung der einfallenden Röntgenquanten ist diese auch in Regimen mit extrem hohen Quantenraten quasilinear zur auf den Detektor eingestrahlten Röntgenenergie. Zwar ist mit einer Erhöhung des statistischen Fehlers gegenüber der Einzelpulsmessung zu rechnen, ebenso geht die Energieauflösung der einzelnen Quanten verloren, jedoch stellt diese zusätzliche Information eine wesentliche Verbesserung im Fall mehrfach überlagernder Röntgenquanten dar, wo die reine Triggerung auf Einzelpulse versagt. Insgesamt ist also eine wesentlich bessere Bildrekonstruktion bei der Computertomographie möglich bzw. wird in Regimen mit hohen Quantenraten wie z. B. am Rand der beobachteten Objekte oder in Luft überhaupt erst möglich.The advantages associated with the invention are, in particular, that the specification of threshold energies which are higher than the maximum energy of the X-ray emitted by the X-ray source, a detection of multiple superimposed electrical pulses of the sensors of the X-ray detector is possible and this just at high rates and multiple superimposition of pulses can still be used for imaging. By means of such a pile-up rate measurement of the incident X-ray quanta, this is also quasi-linear in regimes with extremely high quantum rates for the X-ray energy radiated onto the detector. Although an increase in the statistical error compared to the individual pulse measurement is to be expected, as well as the energy resolution of the individual quantum is lost, but this additional information represents a significant improvement in the case of multiple superimposed X-ray quanta, where the pure triggering fails to individual pulses. Overall, therefore, a much better image reconstruction in computed tomography is possible or is in regimes with high quantum rates such. B. at the edge of the observed objects or in air at all possible.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:An embodiment of the invention will be explained in more detail with reference to a drawing. Show:

1 beispielhaft ein schematisches Diagramm der Pulshöhe aufgetragen gegen die Zeit, in dem Signale eines Detektors eines Röntgensystems im Bereich niedriger Quantenraten gezeigt sind, 1 by way of example a schematic diagram of the pulse height plotted against the time in which signals of a detector of an X-ray system in the range of low quantum rates are shown,

2 ein Diagramm wie in 1 mit mehreren sich überlagernden Pulsen, 2 a diagram like in 1 with several overlapping pulses,

3 ein Diagramm der Zählrate von Triggern mit verschiedenen Schwellenenergien aufgetragen gegen die tatsächliche Anzahl von Quanten in einer doppellogarithmischen Skala, und 3 a graph of the count rate of triggers with different threshold energies plotted against the actual number of quanta in a double logarithmic scale, and

4 ein Diagramm wie in 3 in linearer Skala. 4 a diagram like in 3 in a linear scale.

Gleiche Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.The same parts are provided in all figures with the same reference numerals.

1 zeigt eine schematische grafische Darstellung der Ausgangsdaten eines Sensors des Detektors eines Röntgensystems. Aufgetragen sind dabei die Pulshöhe 2 der elektrischen Pulse, die vom Sensor bei Eintreffen eines Quants der Röntgenstrahlen ausgegeben werden, gegen die Zeit 4. Die Ausgangsdaten nach der 1 zeigen die Situation des Sensors in einem Bereich, in dem sich die elektrischen Pulse 6 nicht überlagern, sondern die Rate der eintreffenden Röntgenquanten auf dem Sensor derart gering ist, dass die elektrischen Pulse 6 zeitlich voneinander getrennt sind. Es findet also keine Überlagerung von elektrischen Pulsen 6 statt. 1 shows a schematic graphical representation of the output data of a sensor of the detector of an X-ray system. Plotted are the pulse height 2 the electrical pulses emitted by the sensor when a quantum of the X-rays are emitted against the time 4 , The output data after the 1 show the situation of the sensor in an area where the electrical pulses 6 not superimpose, but the rate of incoming X-ray quanta on the sensor is so low that the electrical pulses 6 are separated in time. So there is no superposition of electrical pulses 6 instead of.

Zur Zählung der elektrischen Pulse 6 ist ein Trigger vorgesehen, der beim Überschreiten der Pulshöhe 2 einer vorgegebenen Schwellenenergie 8 ein Signal 10 erzeugt. Dieses Signal 10 dient in einer dem Röntgensystem zugeordneten Datenverarbeitungseinheit als Zählsignal, wodurch eine Zählung der auf den Detektor bzw. dessen einzelne Sensoren fallenden Quanten erfolgt und somit eine Bildgebung möglich wird. Dabei bietet die Bildgebung durch Zählung einzelner Quanten bereits eine wesentlich höhere Qualität als bei bloßer Betrachtung des Energieeinfalls auf einen Sensor.To count the electrical pulses 6 a trigger is provided which exceeds the pulse height 2 a predetermined threshold energy 8th a signal 10 generated. This signal 10 serves in a data processing unit associated with the X-ray system as a count signal, whereby a count of the quantum falling on the detector or its individual sensors takes place and thus imaging is possible. The imaging by counting individual quanta already offers a much higher quality than just considering the energy incident on a sensor.

Problematisch wird die Zählung einzelner Quanten im Fall der Überlagerung mehrerer elektrischer Pulse 6 durch schnell hintereinander auf den Detektor auftreffende Quanten. 2 zeigt dabei im linken Bereich einen ersten elektrischen Puls 6a, einen zweiten elektrischen Puls 6b und einen dritten elektrischen Puls 6c (gestrichelt dargestellt), die in schneller Folge hintereinander auftreten und sich gegenseitig überlagern. Dabei erhöhen sich die Pulshöhen 2 der drei elektrischen Pulse 6a, 6b, 6c kumulativ und es ergibt sich im Ergebnis ein Puls dreifacher Höhe.The problem is the counting of individual quanta in the case of the superimposition of several electrical pulses 6 by quantum striking the detector rapidly one behind the other. 2 shows in the left area a first electrical pulse 6a , a second electrical pulse 6b and a third electrical pulse 6c (shown in dashed lines), which occur in rapid succession and superimpose each other. This increases the pulse heights 2 the three electrical pulses 6a . 6b . 6c cumulatively and the result is a pulse of three times the height.

Trotz der Überlagerung wird die Schwellenenergie 8 nur ein einziges Mal überschritten, so dass nur ein einziges Signal 10 ausgelöst wird. Somit ergibt sich trotz drei einfallender Lichtquanten und drei elektrischen Pulsen 6a, 6b, 6c lediglich ein Signal 10. Die Folge ist ein nicht lineares Verhalten der Signalrate zur tatsächlichen Quantenrate, wodurch das Zählergebnis gegenüber der realistischen eingestrahlten Quantenmenge verfälscht wird. Bei einer weiteren, mehrfachen Überlagerung von Pulsen kann dies dazu führen, dass die erfassten Daten nicht mehr für eine Bildgebung geeignet sind.Despite the overlay, the threshold energy becomes 8th exceeded only once, leaving only a single signal 10 is triggered. Thus, despite three incident light quanta and three electrical pulses 6a . 6b . 6c just a signal 10 , The consequence is a non-linear behavior of the signal rate to the actual quantum rate, whereby the counting result is falsified compared to the realistic irradiated quantum quantity. In a further, multiple superposition of pulses, this may mean that the data collected are no longer suitable for imaging.

Um die drei aufeinander folgenden elektrischen Pulse 6a, 6b, 6c dennoch zählen zu können, ist zusätzlich zur Schwellenenergie 8 eine weitere Schwellenenergie 12 vorgegeben, welche höher liegt als die maximale von der Röntgenröhre des Röntgenstrahlers abgegebenen Energie, und damit höher als die maximale Höhe eines einzelnen elektrischen Pulses 6. Dadurch löst der Trigger für diese Schwellenenergie 12 lediglich ein Signal 14 aus, wenn sich mehrere elektrische Pulse 6a, 6b, 6c überlagern. Dadurch wird eine zuverlässige Zählung auch mehrerer sich überlagernder elektrischer Pulse 6a, 6b, 6c gewährleistet, wodurch diese Daten ebenfalls zur Bildgebung verwendet werden können. Dadurch ist eine insgesamt bessere und qualitativ hochwertigere Bildgebung möglich.Around the three consecutive electrical pulses 6a . 6b . 6c being able to count anyway is in addition to threshold energy 8th another threshold energy 12 given, which is higher than the maximum output from the X-ray tube of the X-ray source energy, and thus higher than the maximum height of a single electrical pulse 6 , This triggers the trigger for this threshold energy 12 just a signal 14 off when there are multiple electrical pulses 6a . 6b . 6c overlap. As a result, a reliable count of several overlapping electrical pulses 6a . 6b . 6c ensures that this data can also be used for imaging. This allows an overall better and higher quality imaging possible.

Weiter kann ein weiterer Trigger verwendet werden, welcher ein Signal 16 auslöst, sobald die Dauer des elektrischen Pulses 6a, 6b, 6c größer als eine vorgegebene Zeitspanne 18 ist. Mehrere sich überlagernde Impulse 6a, 6b, 6c sind nämlich auch durch eine verlängerte Pulsdauer gekennzeichnet. Durch eine zusätzliche Nutzung eines derartigen Zeitsignals kann eine weiter verbesserte Zählung und damit eine qualitativ noch hochwertigere Bildgebung gewährleistet werden. Durch die Kombination des Signals 10 der ersten Schwellenenergie 8, des Signals 14 der weiteren Schwellenergie 12 und des Signals 16 der Zeitspanne 18 lassen sich nämlich die drei elektrischen Pulse 6a, 6b, 6c trotz ihrer Überlagerung zählen.Furthermore, another trigger can be used, which is a signal 16 triggers as soon as the duration of the electrical pulse 6a . 6b . 6c greater than a predetermined period of time 18 is. Several superimposed impulses 6a . 6b . 6c are characterized by an extended pulse duration. By an additional use of such a time signal, a further improved counting and thus a qualitatively higher-quality imaging can be ensured. By the combination of the signal 10 the first threshold energy 8th , the signal 14 the further threshold energy 12 and the signal 16 the time span 18 namely can be the three electrical pulses 6a . 6b . 6c count despite their overlay.

Die 3 und 4 zeigen exemplarisch eine grafische Darstellung des gemessenen Flusses von Quanten auf ca. 200 × 200 μm2 Pixel in Hz/mm2 aufgetragen gegen den tatsächlichen Fluss von monoenergetischen, Poisson-verteilten Quanten mit einer Energie von 120 keV in Hz/mm2.The 3 and 4 show by way of example a graphical representation of the measured flux of quanta to approximately 200 × 200 μm 2 pixels in Hz / mm 2 plotted against the actual flux of monoenergetic, Poisson-distributed quanta with an energy of 120 keV in Hz / mm 2 .

Die Daten wurden mittels einer Simulation erzeugt und zeigen jeweils in der Kurve 20 das Signal eines Triggers bei einer Schwellenenergie von 35 keV, in der Kurve 22 das Signal eines Triggers mit einer Schwellenergie von 70 keV, und in den Kurven 24, 26 und 28 jeweils Signale von Triggern mit Schwellenenergien von jeweils 140 keV, 210 keV und 280 keV. Dabei liegen die drei letztgenannten Schwellenenergien oberhalb der maximal erreichbaren Energien der Röntgenröhre und stellen damit Pile-Up-Trigger dar, die nur Überlagerungen von mehreren elektrischen Pulsen darstellen.The data were generated by means of a simulation and show each in the curve 20 the signal of a trigger at a threshold energy of 35 keV, in the curve 22 the signal of a trigger with a threshold energy of 70 keV, and in the curves 24 . 26 and 28 in each case signals from triggers with threshold energies of 140 keV, 210 keV and 280 keV respectively. The three latter threshold energies are above the maximum achievable energies of the X-ray tube and thus are pile-up triggers that represent only superimpositions of several electrical pulses.

Die Verläufe der Kurven 20, 22 zeigen jeweils zunächst einen linearen Verlauf der gemessenen Rate mit der tatsächlichen Rate, während die Verläufe der Kurven 24, 26 und 28 nichtlinear bei kleinen Raten, jedoch quasilinear bei hohen Raten sind. Die Signale dieser Pile-Up-Triggerimpulse, die deren Schwellenenergien oberhalb der maximalen Energie der Röntgenröhre liegen, erfassen keine Einzelpulse und liegen daher in ihrer absoluten gemessenen Rate unterhalb der Raten der beiden Kurven 20 und 22.The courses of the curves 20 . 22 first show a linear course of the measured rate with the actual rate, while the curves of the curves 24 . 26 and 28 non-linear at low rates but quasi-linear at high rates. The signals of these pile-up trigger pulses, whose threshold energies are above the maximum energy of the X-ray tube, do not detect single pulses and are therefore below the rates of the two curves in their absolute measured rate 20 and 22 ,

Bei Raten, bei denen sich mehrere Pulse überlagern und die Pulshöhen ansteigen, sind die Schwellenenergien der einzelnen Trigger immer länger überschritten und die Trigger lösen keine Signale mehr aus. Dadurch erreicht der gemessene Fluss ein Maximum (einsetzende Paralyse) und fällt danach sogar wieder ab, da die Pulshöhe quasi permanent oberhalb der entsprechenden Schwellenenergie des Triggers liegt und fast keine Signale mehr ausgelöst werden (vollständige Paralyse).At rates where multiple pulses are superimposed and the pulse heights increase, the threshold energies of each trigger are exceeded for longer and the triggers no longer trigger signals. As a result, the measured flux reaches a maximum (onset of paralysis) and then drops off again, since the pulse height is virtually permanently above the corresponding threshold energy of the trigger and almost no signals are triggered (complete paralysis).

Sowohl in 3 als auch in 4 zeigt sich nun, dass durch die zusätzliche Einführung höherer Schwellenenergie die diesen Schwellenenergien entsprechenden Trigger erst bei größeren Flüssen, d. h. weiter rechts in den Diagrammen der 3 und 4 in die Paralyse laufen und keine Signale mehr erzeugen.As well in 3 as well as in 4 shows that by the additional introduction of higher threshold energy the trigger corresponding to these threshold energies only at larger rivers, ie further to the right in the diagrams of 3 and 4 run into paralysis and no longer generate signals.

Durch geschickte Kombination dieser Signale mit den Signalen der Einzelpulstrigger in den Kurven 20 und 22 kann somit ein zum tatsächlichen einfallenden Fluss linearer gemessener Fluss erzeugt werden, insbesondere auch in Bereichen oberhalb des Maximums der Kurven 20 und 22, d. h. in Bereichen, wo die Trigger mit Schwellenenergien unterhalb der maximalen Energie der Röntgenröhre keine brauchbaren Daten mehr liefern. Dadurch kann eine wesentlich bessere Bildgebung des Röntgensystems gewährleistet werden.By skillfully combining these signals with the signals of the single pulse triggers in the curves 20 and 22 Thus, a linear measured flux to the actual incident flux can be generated, in particular also in regions above the maximum of the curves 20 and 22 That is, in areas where threshold energy thresholds below the maximum energy of the X-ray tube are no longer providing useful data. As a result, a much better imaging of the X-ray system can be ensured.

Claims (5)

Verfahren zur Detektion von Röntgenstrahlung eines Röntgenstrahlers, – bei dem bei Eintreffen eines Quants der Röntgenstrahlung auf einem Sensor ein elektrischer Puls (6, 6a, 6b, 6c) mit einer für die Energie des Quants charakteristischen Pulshöhe (2) erzeugt wird, wobei eine Anzahl von Schwellenenergien (8, 12) vorgegeben ist und bei Überschreiten der der jeweiligen Energie entsprechenden Pulshöhe (2) jeweils ein Signal (10, 14, 16) ausgegeben wird, und wobei mindestens eine der Schwellenenergien (12) derart vorgegeben wird, dass sie höher als die maximale Energie des vom Röntgenstrahler abgegebenen Röntgenspektrums liegt, und – bei dem bei Nichtunterschreiten der jeweiligen vorgegebenen Schwellenenergie (12) innerhalb einer vorgegebenen Zeitdauer ein Signal (16) ausgegeben wird.Method for detecting X-ray radiation of an X-ray source, - in which, when a quantum of X-ray radiation arrives on a sensor, an electrical pulse ( 6 . 6a . 6b . 6c ) with a pulse height characteristic of the energy of the quantum ( 2 ), wherein a number of threshold energies ( 8th . 12 ) and if the pulse height corresponding to the respective energy is exceeded ( 2 ) one signal each ( 10 . 14 . 16 ) and at least one of the threshold energies ( 12 ) is set such that it is higher than the maximum energy of the X-ray spectrum emitted by the X-ray source, and - if the respective threshold energy is not exceeded ( 12 ) within a predetermined period of time a signal ( 16 ) is output. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Signal (10, 14, 16) ein Zählsignal ist.Method according to Claim 1, in which the signal ( 10 . 14 . 16 ) is a count signal. Röntgensystem, umfassend einen Röntgenstrahler, einen Detektor mit einer Mehrzahl von Sensoren, wobei der jeweilige Sensor derart ausgelegt ist, dass er bei Einfallen eines Quants der Röntgenstrahlung einen elektrischen Puls (6, 6a, 6b, 6c) mit einer für die Energie des Quants charakteristischen Pulshöhe (2) erzeugt, und eine mit dem jeweiligen Sensor verbundenen Datenverarbeitungseinheit, welche die Pulse (6, 6a, 6b, 6c) des jeweiligen Sensors oder einer Mehrzahl von Sensoren mittels einer Triggerschaltung mit einer Anzahl vorgegebener Schwellenenergien (8, 12) auswertet, welche bei Überschreiten der der jeweiligen Energie entsprechenden Pulshöhe (2) jeweils ein Signal (10, 14, 16) ausgibt, wobei mindestens eine der vorgegebenen Schwellenenergien (12) höher als die maximale Energie des vom Röntgenstrahler abgegebenen Röntgenspektrums liegt, und wobei die Triggerschaltung bei Nichtunterschreiten der jeweiligen vorgegebenen Schwellenenergie (12) innerhalb einer vorgegebenen Zeitdauer ein Signal (16) ausgibt.X-ray system comprising an X-ray emitter, a detector with a plurality of sensors, wherein the respective sensor is designed such that it receives an electrical pulse when a quantum of X-ray radiation is incident ( 6 . 6a . 6b . 6c ) with a pulse height characteristic of the energy of the quantum ( 2 ) and a data processing unit connected to the respective sensor, which processes the pulses ( 6 . 6a . 6b . 6c ) of the respective sensor or a plurality of sensors by means of a trigger circuit with a number of predetermined threshold energies ( 8th . 12 ), which, when the pulse height corresponding to the respective energy is exceeded ( 2 ) one signal each ( 10 . 14 . 16 ), wherein at least one of the predetermined threshold energies ( 12 ) is higher than the maximum energy of the X-ray spectrum emitted by the X-ray source, and wherein the trigger circuit, when not falling below the respective predetermined threshold energy ( 12 ) within a predetermined period of time a signal ( 16 ). Röntgensystem nach Anspruch 3, bei dem das Signal (10, 14, 16) ein Zählsignal ist.X-ray system according to Claim 3, in which the signal ( 10 . 14 . 16 ) is a count signal. Computertomographiesystem mit einem Röntgensystem nach Anspruch 3 oder 4.Computed tomography system with an X-ray system according to claim 3 or 4.
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